Штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ) предназначены для подъема пластовой жидкости из скважины на дневную поверхность.
Свыше 70% действующего фонда скважин оснащены глубинными скважинными насосами. С их помощью добывается в стране около 30% нефти.
В настоящее время ШСНУ, как правило, применяют на скважинах с дебитом до 30...40 м 3 жидкости в сутки, реже до 50 м 3 при средних глубинах подвески 1000... 1500 м. В неглубоких скважинах установка обеспечивает подъем жидкости до 200 м 3 /сут.
В отдельных случаях может применяться подвеска насоса на глубину до 3000 м.
Привод предназначен для преобразования энергии двигателя в возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг.
Штанговая скважинная насосная установка включает:
а) наземное оборудование - станок-качалка (СК), оборудование устья, блок управления;
б) подземное оборудование - насосно-компрессорные трубы (НКТ), штанги насосные (ШН), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные защитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях.
Рис. 1. Штанговая скважинная насосная установка:
1 - фундамент; 2 - рама; 3 - электродвигатель; 4 - цилиндр; 5 - кривошип; б - груз; 7 - шатун; 8 - груз; 9 - стойка; 10 - балансир; 11 - механизм фиксации головки балансира; 12 - головка балансира; 13 - канатная подвеска; 14 - полированная штанга;
15 - оборудование устья скважины; 16 - обсадная колонна; 17 - насосно- компрессорные трубы; 18 - колонна штанг; 19 - глубинный насос; 20 - газовый якорь; 21 - уплотнение полированной штанги; 22 - муфта трубная; 23 - муфта штанговая; 24 - цилиндр глубинного насоса; 25 - плунжер насоса; 26 - нагнетательный клапан; 27 - всасывающий клапан.
В скважину на колонне НКТ под уровень жидкости спускают цилиндр насоса. Затем на насосных штангах внутрь НКТ спускают поршень (плунжер), который устанавливают в цилиндр насоса. Плунжер имеет один или два клапана, открывающихся только вверх, называемых выкидными. Верхний конец штанг крепится к головке балансира станка-качалки. Для направления жидкости из НКТ в нефтепровод и предотвращения ее разлива на устье скважины устанавливают тройник и выше него сальник, через который пропускают сальниковый шток.
Верхняя штанга , называемая полированным штоком, пропускается через сальник и соединяется с головкой балансира станка-качалки с помощью канатной подвески и траверсы.
Плунжерный насос приводится в действие от станка-качалки, где вращательное движение, получаемое от двигателя при помощи редуктора, кривошипно-шатунного механизма и балансира, преобразуется в возвратно-поступательное движение, передаваемое плунжеру штангового насоса через колонну штанг.
При ходе плунжера вверх под ним снижается давление, и жидкость из межтрубного пространства через открытый всасывающий клапан поступает в цилиндр насоса.
При ходе плунжера вниз всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан открывается, и жидкость из цилиндра переходит в подъёмные трубы. При непрерывной работе насоса уровень жидкости в НКТ повышается, жидкость доходит до устья скважины и через тройник переливается в выкидную линию.
Приводы ПО «Уралтрансмаш»
Условное обозначение приводов на примере ПШГНТ4-1,5-1400:
ПШГН – привод штанговых глубинных насосов;
Т – редуктор установлен на тумбе;
1,5 – наибольшая длина хода устьевого штока 1,5 м;
1400 – наибольший допустимый крутящий момент на ведомом валу редуктора;
Лекция № 2. Подземное оборудование ШНУ
Назначение, типы, конструкция и маркировка скважинных
Штанговых насосов.
Скважинные штанговые насосы предназначены для откачивания из нефтяных скважин жидкости обводненностью до 99%, температурой до 130°С, содержанием сероводорода не более 50мг/л, минерализацией воды не более 10г/л.
Скважинные насосы имеют вертикальную конструкцию одинарного действия с неподвижным цилиндром, подвижным металлическим плунжером и шариковыми клапанами. Насосы изготавливают следующих типов:
1) НВ1 - вставные с замком наверху;
2) НВ2 - вставные с замком внизу;
3) НН - невставные без ловителя;
4) НН1 - невставные с захватным штоком;
5) НН2 - невставные с ловителем
Рис. 2. Насосы скважинные невставные |
Насос НН1 состоит из цилиндра, плунжера, нагнетательного и всасывающего клапанов. В верхней части плунжера размещается нагнетательный клапан и шток с переводником под штанги.
К нижнему концу плунжера с помощью наконечника на захватном штоке свободно подвешивается всасывающий клапан. При работе клапан сажается в седло корпуса. Подвешивать всасывающий клапан к плунжеру необходимо для слива жидкости из НКТ перед их подъемом, а также для замены клапана без подъема НКТ. Наличие захватного штока внутри плунжера ограничивает длину его хода, которая в насосах НН1 не превышает 0,9 м.
В насосе НН2С в отличие от насоса НН1 нагнетательный клапан установлен на нижнем конце плунжера. Для извлечения всасывающего клапана без подъема НКТ используется ловитель (байонетный замок), который крепится к седлу нагнетательного клапана. Ловитель имеет две фигурные канавки для зацепления. В клетку всасывающего клапана ввинчен шпиндель (укороченный шток) с двумя утолщенными шпильками. После посадки всасывающего клапана в седло корпуса поворотом колонны штанг на 1-2 оборота против часовой стрелки добиваются того, что шпильки шпинделя скользят по канавкам ловителя и всасывающий клапан отсоединяется от плунжера. Захват осуществляется после посадки плунжера на шпиндель при повороте колонны штанг по часовой стрелке.
Насос ННБА позволяет осуществлять форсированный отбор жидкости из скважин через НКТ, диаметр которых меньше диаметра плунжера.
Это достигнуто особой конструкцией его - наличием автосцепа, включающего сцеп и захват, и сливного устройства. Насос в собранном виде без сцепа спускается в скважину на НКТ. Затем на штангах спускается сцеп с мерным штоком. Сцеп проталкивает золотник сливного устройства вниз и сцепляется с захватом, закрепленным на плунжере, при этом сливное отверстие закрывается. При подъеме насоса следует поднять колонну штанг. При этом захват проталкивает золотник вверх, открывая сливное отверстие. После этого сцеп отделяется от захвата и колонна штанг свободно поднимается.
Цилиндр вставного насоса (см. рис. 3) спускается внутри труб на колонне штанг и монтируется на них с помощью специального замкового соединения. Это позволяет менять вставной насос без спуска и подъема труб. Но при одинаковых диаметрах плунжеров вставной насос требует применения НКТ большего диаметра.
Скважинные насосы исполнения НВ1С предназначены для откачивания из нефтяных скважин маловязкой жидкости.
Насос состоит из составного цилиндра на нижний конец которого навернут сдвоенный всасывающий клапан, а на верхний конец - замок плунжера, подвижно расположенного внутри цилиндра, на резьбовые концы которого навинчены: снизу сдвоенный нагнетательный клапан, а сверху - клетка плунжера. Для присоединения плунжера к колонне насосных штанг насос снабжен штоком, навинченным на клетку плунжера и закрепленным контргайкой. В расточке верхнего переводника цилиндра расположен упор, упираясь на который, плунжер обеспечивает срыв скважинного насоса с опоры.
Скважинные насосы исполнения НВ1Б. Это насосы, по назначению, конструктивному исполнению, принципу работы аналогичны насосам исполнения НВ1С и отличаются от них только тем, что в качестве цилиндра использованы цельные цилиндры исполнения ЦБ, характеризующиеся повышенной прочностью, износостойкостью и транспортабельностью по сравнению с цилиндрами исполнения ЦС.
Скважинные насосы исполнения НВ2 имеют область применения аналогичную области применения скважинных насосов исполнения НВ1, однако могут быть спущены в скважины на большую глубину.
Рис. 3. Насосы скважинные вставные |
На всасывающий клапан навинчен упорный ниппель с конусом. На верхнем конце цилиндра расположен защитный клапан, предотвращающий осаждение песка в цилиндре при остановке насоса.
Внутри цилиндра подвижно установлен плунжер с нагнетательным клапаном на нижнем конце и клеткой плунжера на верхнем конце. Для присоединения плунжера насоса к колонне насосных штанг насос снабжен штоком, навинченным на клетку плунжера и законтренным контргайкой.
В расточке верхнего конца цилиндра расположен упор.
Насос спускается в колонну насосно-компрессорных труб на колонне насосных штанг и закрепляется в опоре нижней частью при помощи ниппеля упорного с конусом. Такое закрепление насоса позволяет разгрузить от пульсирующих нагрузок.
Это обстоятельство обеспечивает применение его на больших глубинах скважин.
Цилиндры скважинных насосов выпускают в двух исполнениях:
® ЦБ - цельный (безвтулочный), толстостенный;
® ЦС - составной (втулочный).
Цилиндр втулочного насоса состоит из кожуха, в котором размещены втулки. Фиксация втулок в кожухе обеспечивается гайками.
Втулки подвергаются воздействию переменного внутреннего гидравлического давления, обусловленного столбом откачиваемой жидкости, и постоянного усилия, возникающего в результате торцевого обжатия рабочих втулок. Втулки всех насосов при различных внутренних диаметрах имеют одинаковую длину - по 300 мм.
Втулки всех насосов изготавливают трех типов: легированные из стали марки 38ХМЮА, стальные из стали марок 45 и 40Х, чугунные марки СЧ26-48.
Легированные втулки изготавливают только тонкостенными, стальные - тонкостенные, с увеличенной толщиной стенки и толстостенные, чугунные - толстостенные.
Для увеличения долговечности внутреннюю поверхность втулок упрочняют физико-термическими методами: чугунные - закаливают токами высокой частоты, стальные азотируют, цементируют, нитрируют. В результате этой обработки твердость поверхностного слоя составляет до 80 HRc.
Механическая обработка втулок заключается в шлифовании и хонинговании. Основные требования к механической обработке - высокий класс точности и чистоты внутренней поверхности, а также перпендикулярность торцов к оси втулок.
Макрогеометрические отклонения внутреннего диаметра втулки должны быть не более 0,03 мм. Плоскостность торцевых поверхностей должна обеспечивать равномерное непрерывное пятно по краске не менее 2/3 толщины стенок втулки.
Цельнотянутые цилиндры представляют собой длинную стальную трубу, внутренняя поверхность которой рабочая. Труба при этом играет роль и цилиндра и кожуха одновременно. Подобная конструкция лишена таких недостатков, как негерметичность между торцами рабочих втулок, искривление оси цилиндра. При этом увеличивается жесткость насоса и создается возможность использовать плунжер большого диаметра при одинаковом по сравнению с втулочным насосом наружном диаметре.
Плунжер глубинного насоса представляет собой стальную трубу с внутренней резьбой на концах. Для всех насосов длина плунжера постоянна и составляет 1200 мм. Их изготавливают из стали 45, 40Х или 38ХМЮА. По способу уплотнения зазора цилиндр – плунжер различают полностью металлические и гуммированные плунжеры. В паре металлический плунжер - цилиндр уплотнение создается нормированным зазором большой длины, в гуммированных - за счет манжет или колец, изготовленных из эластомера или пластмассы.
В настоящее время применяют плунжеры (рис. 4):
а) с гладкой поверхностью;
б) с кольцевыми канавками;
в) с винтовой канавкой;
г) с кольцевыми канавками, цилиндрической расточкой и скошенным концом в верхней части («пескобрей»);
д) манжетные плунжеры;
е) гуммированные плунжеры.
а - гладкий (исполнение Г); б - с кольцевыми канавками (исполнение К); в - с винтовой канавкой (исполнение В); г - типа «пескобрей» (исполнение П); д - манжетный, гуммированный плунжер; 1 - корпус плунжера; 2 - самоуплотняющееся резиновое кольцо; 3 - набухающие резиновые кольца.
Насосные штанги
Штанги насосные предназначены для передачи возвратно-поступательного движения плунжеру насоса (рис. 5). Изготавливаются в основном из легированных сталей круглого сечения диаметром 16, 19, 22, 25 мм, длиной 8000 мм и укороченные – 1000, 1200, 1500, 2000 и 3000 мм как для нормальных, так и для коррозионных условий эксплуатации.
Рис. 5 – Насосная штанга
Шифр штанг – ШН-22 обозначает: штанга насосная диаметром 22 мм. Марка сталей – сталь 40, 20Н2М, 30ХМА, 15НЗМА и 15Х2НМФ с пределом текучести от 320 до 630 МПа. Насосные штанги применяются в виде колонн, составленных из отдельных штанг, соединенных посредством муфт.
Муфты штанговые выпускаются: соединительные типа МШ (рис. 6) – для соединения штанг одинакового размера и переводные типа МШП – для соединения штанг разного диаметра.
Для соединения штанг применяются муфты – МШ16, МШ19, МШ22, МШ25; цифра означает диаметр соединяемой штанги по телу (мм). АО «Очерский машиностроительный завод» изготавливает штанги насосные из одноосно-ориентированного стеклопластика с пределом прочности не менее 800 МПа. Концы (ниппели) штанг изготавливаются из сталей. Диаметры штанг 19, 22, 25 мм, длина 8000 – 11000 мм.
Рис. 6 – Соединительная муфта насосной штанги:
а – исполнение I; б – исполнение II
Преимущества: снижение веса штанг в 3 раза, снижение энергопотребления на 18 – 20 %, повышение коррозионной стойкости при повышенном содержании сероводорода и др. Применяются непрерывные штанги «Кород».
ШГН в простейшем виде состоит из плунжера, движущегося вверх - вниз по хорошо подогнанному цилиндру. Плунжер снабжен обратным клапаном, который позволяет жидкости течь вверх, но не вниз. Обратный клапан, называемый также нагнетательным, в современных насосах обычно представляет собой клапан типа шар-седло. Второй клапан, всасывающий, - это шаровой клапан, расположенный внизу цилиндра, и, подобно обратному клапану, позволяет жидкости течь вверх, но не вниз. Вначале плунжер находится в стационарном состоянии в нижней точке хода. В этот момент и всасывающий, и нагнетательный клапаны закрыты. Столб жидкости в НКТ создает гидростатическое давление над всасывающим клапаном. Нагрузкой на сальниковый шток (верхний шток из колонны насосных штанг) является только вес колонны насосных штанг. При движении плунжера вверх обратный клапан остается закрытым и колонна насосных штанг принимает на себя вес жидкости в НКТ - вес колонны насосных штанг и вес столба жидкости. При минимальной утечке между плунжером и насосным цилиндром давление между нагнетательным и всасывающим клапанами уменьшается, так что всасывающий клапан открывается, и жидкость из ствола скважины поступает в цилиндр насоса .
В верхней точке рабочего хода плунжер останавливается, и оба клапана снова закрываются, при этом вес жидкости снова приходится на плунжер и нагнетательный клапан. Предположим, что теперь цилиндр насоса заполнился жидкостью и жидкость несжимаема. При начале движения плунжер вниз выкидной клапан откроется. Вес столба жидкости в насосно-компрессорной колонне перенесется на всасывающий клапан и рабочую колонну, а нагрузка на сальниковый шток и насосный узел опять будет состоять только из веса штанг.
Дальнейшее движение плунжера вниз заставит жидкость перетечь из цилиндра в плунжер через обратный клапан. Возвращение плунжера в нижнюю точку рабочего хода закончит цикл (рисунок 1.8).
При автоматизации работы скважинных штанговых глубинных насосов применяются методы ваттметрирования, барографирования и динамометрирования. Первый метод позволяет контролировать, главным образом, работу наземного оборудования, второй и третий - глубинного.
Барографирование позволяет определить давление во всасывающем клапане и на выкиде насоса, перепад давления в клапанах, характер утечек и т.д. Давление регистрируется глубинным манометром, спускаемым на проволоке через затрубное пространство. Метод барографирования достаточно сложен и трудоемок и не может быть применен для оперативного контроля за работой насосных установок.
1 - нагнетательный клапан; 2 - всасывающий клапан
Рисунок 1.8 - Принцип работы штангового глубинного насоса
К достоинствам ваттметрирования необходимо отнести такие факторы, как простота измерения (требуется установка только измерительных трансформаторов тока и напряжения на фазах двигателя) и возможность вести учет потребляемой приводом электроэнергии (станции управления могут быть интегрированы в системы коммерческого и технического учета электроэнергии - АСКУЭ и АСТУЭ) .
Ваттметрограмма представляет собой кривую потребляемой мощности электродвигателя станка-качалки. По ваттметрограмме прежде всего выявляется такой важный показатель, как несбалансированность СКН (рисунок 1.9).
Ваттметрирование позволяет получить информацию о работе наземного оборудования, в то время как наиболее важно иметь представление о состоянии и режиме работы глубинного насоса и колонны штанг и труб. Решить данную задачу помогает метод динамометрирования, результатом которого является график зависимости усилия в точке подвеса штанг от перемещения этой точки, называемый устьевая динамограмма.
а) сбалансированный станок-качалка
б) несбалансированный станок-качалка
Рисунок 1.9 - Ваттметрограммы СК
На практике применяются следующие понятия: теоретическая, практическая (замеренная, реальная) динамограмма (рисунок 1.10). Простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы насоса имеет форму параллелограмма (рисунок 1.10, линия 1). Она строится для условия, когда насос исправен и герметичен, цилиндр заполнен несжимаемой жидкостью, погружение насоса под динамический уровень равно нулю, в насосной установке не возникают динамические нагрузки, коэффициент заполнения насоса равен единице.
Практическая устьевая динамограмма отражает реальное изменение нагрузки на полированный шток за полный цикл качания.
Реальный график отличается от теоретического, в основном, из-за влияния сил инерции и колебательных процессов в колонне штанг (рисунок 1.10, линия 2). Вследствие влияния силы инерции динамограмма оказывается повернутой на некоторый угол по часовой стрелке, а продольные колебания в колонне штанг вызывают волнообразные изменения нагрузки на устьевой шток.
1 - теоретическая; 2 - практическая
Рисунок 0. 10 - Графики устьевых динамограмм
Размеры и форма реальной динамограммы определяются длиной хода полированного штока и действующих на него усилий, которые, в свою очередь, зависят от глубины спуска и диаметра насоса, частоты качаний и от характера нарушений в подземном оборудовании или гидростатической нагрузки на плунжер.
Можно сформулировать следующие характерные признаки практической динамограммы, которые в сумме дают право на заключение о нормальной работе насоса:
Линии восприятия (рисунок 1.10, линия АB) и снятия (рисунок 1.10, линия CD) нагрузки практически могут быть приняты за прямые;
Линии восприятия и снятия нагрузки у практической динамограммы параллельны соответствующим линиям теоретической динамограммы, и, следовательно, параллельны друг другу;
Левый нижний и правый верхний углы динамограммы острые.
Вывод: с помощью динамометрирования, которое является самым простым, доступным, а, следовательно, и самым распространенным методом промыслового исследования и оперативного контроля за работой СШНУ, решаются следующие задачи:
1) определяются отдельные параметры пласта и скважин, и проверяется режим работы насосной установки: подача насоса, коэффициент продуктивности, коэффициенты наполнения и подачи насоса, давление на приеме насоса, величина деформации труб и штанг;
2) проверяется исправность работы ШГН и выявляются механические неисправности отдельных узлов подземного оборудования: негерметичность всасывающего и нагнетательного клапанов насоса, прихват плунжера, обрыв штанг, неправильность монтажа насоса, негерметичность труб и т.д.
Глубинные насосы штангового типа, которые обозначаются аббревиатурой ШГН, представляют собой устройства, при помощи которых можно откачивать жидкие среды из скважин, характеризующихся значительной глубиной. Использование такого насосного оборудования является одним из наиболее популярных способов откачивания нефти: приблизительно 70 % действующих сегодня нефтеносных скважин обслуживают именно штанговые насосы.
Основными элементами конструкции насоса штангового, который размещается в скважине на особой колонне, состоящей из подъемных труб, являются:
Принцип работы глубинных штанговых насосов достаточно прост.
По своему конструктивному исполнению штанговые глубинные насосы могут быть:
Опускание в скважину вставных штанговых глубинных насосов, как и их извлечение из нее, осуществляется в собранном виде. Для того чтобы выполнить такую операцию, плунжер помещают внутрь цилиндра, и вся конструкция на насосных штангах опускается в шахту.
Вставные ШГН также подразделяются на устройства двух видов:
Вставные устройства используют преимущественно для обслуживания скважин большой глубины, характеризующихся также небольшим дебитом откачиваемой из них жидкой среды. Использование таких насосов ШГН, для извлечения которых достаточно осуществить подъем штанг, с которыми соединена вся конструкция насоса, намного упрощает ремонт скважины, если в этом возникает необходимость.
Для того чтобы поместить в скважину штанговый глубинный насос невставного типа, необходимо выполнить более сложные действия. В скважину сначала помещают цилиндр, для чего используют НКТ, а только затем, используя штанги, в уже установленный цилиндр опускают плунжер с клапанами. Извлечение штангового глубинного насоса данного типа также осуществляется в два приема: в первую очередь из цилиндра насоса извлекается плунжер с клапанами, а затем из скважины поднимается цилиндр с НКТ.
Невставные устройства также подразделяются на несколько категорий:
Среди перечисленных выше видов невставного оборудования наиболее популярными стали устройства, оснащенные ловителем (НН2). Объясняется высокая популярность последних тем, что механизм их опорожнения отличается простотой конструкции и, соответственно, большей надежностью в эксплуатации.
Выбор оборудования той или иной модели осуществляется в зависимости от конкретных условий эксплуатации, а также от характеристик жидкой среды, которую планируется откачивать с его помощью.
Для того чтобы определить, к какой категории относится глубинный штанговый насос, а также узнать, какими характеристиками обладает такое устройство, достаточно расшифровать его маркировку. Такая маркировка, расшифровка которой не представляет больших сложностей, выглядит следующим образом:
XХХ Х – ХX – ХХ – ХX – Х
Буквы и цифры, присутствующие в такой маркировке, последовательно обозначают следующие параметры:
Работоспособность и эффективность использования глубинных насосов штангового типа определяют следующие элементы, присутствующие в их конструкции:
Конечно, обязательным элементом конструкции штангового глубинного насоса является штанга – изготовленный из стали круглый стержень с высаженными концами. Основное назначение штанг, которые могут иметь различный диаметр (12, 16, 18, 22 и 25 мм), заключается в том, чтобы сообщать плунжеру возвратно-поступательное движение.
Поскольку в ходе работы глубинного насоса штанги испытывают серьезные нагрузки, для их производства используют высококачественные стали, а после изготовления подвергают нормализационному отжигу и закалке ТВЧ.
Штанговые насосные устройства в зависимости от конструктивных особенностей плунжера и цилиндра, а также от того, как расположен их якорный башмак, могут относиться к одной из 15 категорий.
Добыча нефти при помощи штанговых насосов – самый распространенный способ искусственного подъема нефти, что объясняется их простотой, эффективностью и надежностью. Как минимум две трети фонда действующих добывающих скважин эксплуатируются установками ШГН.
Перед другими механизированными способами добычи нефти УШГН имеют следующие преимущества:
обладают высоким коэффициентом полезного действия;
проведение ремонта возможно непосредственно на промыслах;
для первичных двигателей могут быть использованы различные приводы;
установки ШГН могут применяться в осложненных условиях эксплуатации - в пескопроявляющих скважинах, при наличии в добываемой нефти парафина, при высоком газовом факторе, при откачке коррозионной жидкости.
Глубинный штанговый насос в простейшем виде состоит из плунжера, движущегося вверх-вниз по хорошо подогнанному цилиндру. Плунжер снабжен обратным клапаном, который позволяет жидкости течь вверх, но не вниз. Обратный клапан, называемый также выкидным, в современных насосах обычно представляет собой клапан типа шар-седло. Второй клапан, всасывающий, - это шаровой клапан, расположенный внизу цилиндра также позволяет жидкости течь вверх, но не вниз.
ШСНУ включает:
Наземное оборудование: станок-качалка (СК), оборудование устья.
Подземное оборудование: насосно-компрессорные трубы (НКТ), насосные штанги (НШ), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные защитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях.
Отличительная особенность УШСН состоит в том, что в скважине устанавливают плунжерный (поршневой) насос, который приводится в действие поверхностным приводом посредством колонны штанг
По способу крепления к колонне НКТ различают вставные (НСВ) и невставные (НСН) скважинные насосы. Вставные штанговые насосы спускают в скважину в собранном виде. Предварительно в скважину на НКТ спускается специальное замковое приспособление, а насос на штангах спускают в уже спущенные НКТ. Соответственно для смены такого насоса не требуется лишний раз производить спуск-подъем труб.
Невставные насосы спускаются в полуразобранном виде. Сначала на НКТ спускают цилиндр насоса. А затем на штангах спускают плунжер с обратным клапаном. Поэтому при необходимости замены такого насоса приходится поднимать из скважины сначала плунжер на штангах, а потом и НКТ с цилиндром.
И тот и другой вид насоса имеет как свои преимущества, так и недостатки. Для каждых конкретных условий применяют наиболее подходящий тип. Например, при условии содержания в нефти большого количества парафина предпочтительно применение невставных насосов. Парафин, откладываясь на стенках НКТ, может заблокировать возможность поднятия плунжера вставного насоса. Для глубоких скважин предпочтительнее использовать вставной насос, чтобы снизить затраты времени на спуск-подъем НКТ при смене насоса.
ГОСТ 13877-96
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
ШТАНГИ НАСОСНЫЕ И МУФТЫ
ШТАНГОВЫЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ
СОВЕТ
ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Азербайджанским научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом нефтяного машиностроения (АзинМАШ) Государственной компании «АЗНЕФТЕХИММАШ» Азербайджанской Республики ВНЕСЕН Азгосстандартом 2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 4 октября 1996 г. № 10) За принятие проголосовали:
Наименование государства |
Наименование национального органа по стандартизации |
Азербайджанская Республика | Азгосстандарт |
Республика Беларусь | Госстандарт Беларуси |
Республика Казахстан | Госстандарт Республики Казахстан |
Киргизская Республика | Киргизстандарт |
Республика Молдова | Молдовастандарт |
Российская Федерация | Госстандарт России |
Туркменистан | Главная государственная инспекция Туркменистана |
Республика Узбекистан | Узгосстандарт |
Введение
Настоящий межгосударственный стандарт предусматривает идентификацию основных параметров и присоединительных размеров насосных штанг и штанговых муфт с принятыми в международной практике. В отличие от ранее действовавшего ГОСТ 13877-80 в настоящий стандарт введены: раздел «Определения», требования к муфтам класса SM с износостойким покрытием и муфтам уменьшенного диаметра, требования по калибровке штанг и муфт, а также расширена номенклатура материалов, применяемых для изготовления штанг. В стандарте приведены только те марки сталей, штанги и муфты из которых прошли эксплуатационные испытания не менее чем в двух регионах и рекомендованы к серийному производству Государственной приемочной комиссией в установленном порядке. Настоящий стандарт гармонизирован с американским стандартом API Spec 11В в части размеров и конструктивного исполнения штанг и муфт, механических свойств материалов, размеров резьб и их предельных отклонений, контроля штанг и муфт с помощью калибров, маркировки и упаковки штанг и муфт (приложение А). В стандарте не рассматриваются известные в отечественной практике технологические приемы по улучшению качества штанг, которые выходят за рамки гармонизированных стандартов, такие как упрочнение штанг путем холодного их растяжения с достижением пластической деформации; термомагнитная и пескоструйная обработки, методы дефектоскопии, правки тела штанги, нормирования крутящих моментов при свинчивании муфт и штанг, а также сварные конструкции как насосных штанг, так и непрерывных (цельных) штанговых колонн. При необходимости эти вопросы должны найти отражение в технической документации заводов-изготовителей штанг и муфт. Ряд требований стандарта приведен в рекомендательной форме: формирование резьб штанговых муфт накаткой, антикоррозионное покрытие штанг лаком или мастикой, отличительная окраска штанг. По мере внедрения этих требований стандарта в производство будет рассматриваться целесообразность их перевода в разряд обязательных.
1 Область применения. 3 2 Нормативные ссылки. 3 3 Определения. 4 4 Конструкция, основные параметры и размеры.. 5 5 Технические требования. 10 5.1 Характеристики. 10 5.2 Маркировка. 13 5.3 Упаковка. 15 6 Правила приемки. 16 7 Методы контроля. 17 8 Транспортирование и хранение. 18 9 Указания по эксплуатации. 19 10 Гарантии изготовителя. 19 Приложение А Сведения по гармонизации настоящего стандарта со стандартом API Spec 11 B .. 19 Приложение Б Конструктивные длины и массы штанг. 20 Приложение В Сведения о материалах, применяемых для изготовления штанг. 20 Приложение Г Требования к муфтам класса SM .. 21 Приложение Д Калибровка штанг и муфт. 22 Приложение Е Примеры расчета вероятности безотказной работы партии штанг. 23 Приложение Ж Область применения насосных штанг и значение допускаемого приведенного напряжения в штангах. 24 Приложение И Характеристика коррозионности продукции нефтяных скважин по содержанию в ней коррозионно-активных компонентов (без учета влияния ингибиторов коррозии) 25 Приложение К Правила обращения со штангами в процессе эксплуатации. 25 Приложение Л Правила компоновки колонн насосных штанг и замены штанг в колонне. 26 |
ГОСТ 13877-96
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
ШТАНГИ НАСОСНЫЕ И МУФТЫ ШТАНГОВЫЕ
Технические условия
Sucker rods and sucker rod
couplings.
Specifications
Дата введения 2001-01-01
1 - тело штанги; 2 - головка штанги; 3 - подэлеваторный бурт; 4 - квадратная шейка; 5 - торец упорного бурта; 6 - упорный бурт; 7 - зарезьбовая канавка; 8 - торец штанги
Рисунок 1 - Наименования конструктивных элементов насосной штанги
3.2.4 штанговая муфта: Составная часть колонны насосных штанг, как правило, с внутренней резьбой на обоих концах, предназначенная для соединения насосных штанг между собой; 3.2.5 соединительная штанговая муфта (соединительная муфта): Штанговая муфта с одинаковыми резьбами на обоих концах, предназначенная для соединения насосных штанг между собой; 3.2.6 переводная штанговая муфта (переводная муфта): Штанговая муфта с неодинаковыми резьбами на обоих концах, предназначенная для соединения насосных штанг разных условных размеров; 3.2.7 стандартная длина штанги: Расстояние, отсчитываемое от торца упорного бурта насосной штанги до наружного торца штанговой муфты, навинченной на противоположный конец насосной штанги; 3.2.8 приведенное напряжение в штангах: Напряжение s пр в верхней насосной штанге какой-либо ступени штанговой колонны, определяемое по формуле
Где s m ах - максимальное напряжение в теле штанги за цикл нагружения; s а - амплитуда напряжения в теле штанги за цикл нагружения,
Где s min - минимальное напряжение в теле штанги за цикл нагружения; 3.2.9 зона термического влияния: Участок тела насосной штанги длиной 250 мм, отсчитываемый от подэлеваторного бурта в сторону тела штанги; 3.2.10 продольные дефекты проката: Дефекты проката в соответствии с ГОСТ 21014, расположенные вдоль оси проката; 3.2.11 поперечные дефекты проката: Дефекты проката в соответствии с ГОСТ 21014, расположенные перпендикулярно к оси проката; 3.2.12 торцевая контактная поверхность: Кольцевая поверхность, по которой контактируют торец штанговой муфты с торцем упорного бурта насосной штанги (без учета фасок).
* Размер обеспечивается инструментом. ** Размер указан до накатки резьбы. *** Допускается другая форма сопряжения ударного бурта с квадратной шейкой.
Рисунок 2 - Насосная штанга
Таблица 1
Условный размер штанг |
||||||||||||||||||
Пред. откл. |
Пред. откл. |
Пред. откл. |
Пред. откл. |
|||||||||||||||
Рисунок 3 - Соединительная муфта
Таблица 2
Размеры в миллиметрах
Условный размер соединительных муфт |
Исполнение |
Диаметр муфт D |
Размер под ключ S -0,8 |
||||
Рисунок 4 - Переводная муфта
Таблица 3
Размеры в миллиметрах
Условный размер переводных муфт |
Исполнение |
Диаметр муфт D +0,13; -0,25 полноразмерных (уменьшенного диаметра) |
Размер под ключ S |
Масса муфт, кг, не более, полноразмерных (уменьшенного диаметра) |
||||||
Рисунок 5
Таблица 5
Условный размер |
Обозначение резьбы |
Диаметр резьбы штанг, муфт, мм (см. рисунок 5) |
|||
соединительных муфт |
d , D |
d 2 , D 2 |
d 1 , D 1 |
||
1 - поле допуска внутренней резьбы; 2 - поле допуска наружной резьбы; 3 - номинальный профиль; d ; D - номинальный наружный диаметр; d 1 ; D 1 - номинальный внутренний диаметр; d 2 ; D 2 - номинальный средний диаметр
Рисунок 6
Таблица 6
Условный размер штанг |
Предельное отклонение диаметра резьбы, мкм |
|||||||||||
* Внутренний диаметр резьбы штанги d 1 и наружный диаметр резьбы муфты D обеспечиваются резьбообразующим инструментом. | ||||||||||||
Примечание - Отклонения отсчитываются от линии номинального профиля резьбы в направлении, перпендикулярном оси штанги. Предельные отклонения диаметров d 1 и D относятся к оси впадины и представляют расстояние между наинизшей ее точкой и линией номинального размера. |
Штанга насосная ШН19 -40 ГОСТ 13877-96 .
То же, длиной 7620 мм:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 ГОСТ 13877-96 .
То же, для штанги, подвергнутой поверхностному упрочнению нагревом ТВЧ:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 S ГОСТ 13877-96 .
То же, с муфтой исполнения 2 класса S:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 S - S ГОСТ 13877-96 .
То же, с соединительной муфтой исполнения 3 класса SM:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 S -3 S М ГОСТ 13877-96 .
4.9 Примеры условных обозначений муфт Соединительной муфты условным размером 19 мм, исполнения 2, из стали 40, класса Т:
Муфта МШ19 ГОСТ 13877-96 .
То же, исполнения 3, из стали марки 20Н2М, класса S:
Муфта МШ19 -20Н2М -3 S ГОСТ 13877-96 .
То же, класса SM:
Муфта МШ19 -20Н2М -3 S М ГОСТ 13877-96 .
Переводной муфты условным размером 19 ´ 22, исполнения 2, из стали 20Н2М, класса Т:
Муфта МШ19 ´ 22 -20Н2М ГОСТ 13877-96 .
4.10 Пример условного обозначения резьбы штанги (муфты) условным размером 19 мм:
Резьба Ш19 ГОСТ 13877-96 .
Марка стали |
Вид термической обработки |
Механические свойства, не менее |
|||||
40 по ГОСТ 1050 | Нормализация или нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) | ||||||
20Н2М по ГОСТ 4543 | То же | ||||||
30ХМА по ГОСТ 4543 | |||||||
15Н3МА | Нормализация или нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ | ||||||
15Х2НМФ | |||||||
15Х2ГМФ | То же | ||||||
14Х3ГМЮ | » | ||||||
Примечания 1 При поверхностном упрочнении штанг нагревом ТВЧ механические свойства материала, указанные в таблице, относятся к незакаленной сердцевине тела штанг и определяются до обработки ТВЧ на отштампованных и термически обработанных заготовках штанг. 2 Закалка штанг из стали марок 15Х2НМФ, 15Х2ГМФ и 14Х3ГМЮ происходит на воздухе в процессе изготовления проката и штамповки головок. Допускается закалку штанг проводить в воде или других охлаждающих средах. 3 Показатели твердости являются рекомендуемыми. |
Условный размер штанг |
Глубина поверхностного упрочнения, мм |
||||||
тела штанг |
головки штанг на участках радиусом |
||||||
Наружный диаметр муфты D , мм |
Исполнение |
Глубина поверхностного упрочнения муфты, мм |
Твердость поверхности HRC э, не менее, для стали марки |
|
20Н2М; 20ХН2М |
||||
(справочное )
Номер и наименование раздела настоящего стандарта |
Объем гармонизации стандартов |
1 Область применения | Стандарты гармонизированы в части цельных насосных штанг и штанговых муфт с одноименными резьбовыми концами (соответственно с наружной и внутренней резьбой на обоих концах. |
Отличие: Настоящий стандарт не распространяется на составные штанги, на штанги с разноименными резьбовыми концами (ниппельным и муфтовым), на устьевые штоки и их муфты и прочие | |
4 Конструкция, основные параметры и размеры | Гармонизированы конструкция и размеры штанг и муфт. Отличие: Дополнительно включены штанги нормальной длиной 8000 мм и укороченной длины 1000, 1500 и 2000 мм, данные по конструктивной длине штанг, по массе штанг и муфт. Приведены обозначения штанг и муфт и их резьб в метрической системе |
5 Технические требования | Гармонизированы технические требования к штангам и муфтам. Отличие: Дополнительно включены требования к штангам и муфтам, упрочненным нагревом ТВЧ; приведены конкретные марки стали для изготовления штанг и муфт, а в приложении В приведено их соответствие классификации стандарта API Spec 11В; приведены показатели безотказной работы штанг и сроки их службы |
6 Правила приемки | Гармонизированы правила приемки |
7 Методы контроля | Гармонизированы методы контроля. Отличие: В настоящем стандарте отсутствует раздел с конструкцией и размерами калибров |
8 Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение | Гармонизированы требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению штанг |
9 Указания по эксплуатации | Гармонизированы указания по эксплуатации. Отличие: Дополнительно приведены сведения об области применения штанг из различных материалов с учетом коррозионности продукции скважин; допускаемые приведенные напряжения в штангах. |
(справочное)
Условный размер штанг |
Конструктивная длина L штанг при стандартной длине* |
||||||||||||
* Значения конструктивных длин округлены до целых чисел. |
Условный размер штанг |
Масса штанг (без муфт), кг, при стандартной длине, мм |
||||||||||||
(справочное)
Марка стали |
Вид термообработки |
Класс штанг по материалу (стандарт API Spec 11В) |
40 по ГОСТ 1050 | Нормализация | |
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) | ||
20Н2М по ГОСТ 4543 | Нормализация | |
30ХМА по ГОСТ 4543 | Нормализация и высокий отпуск с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ | |
15Н3МА | Нормализация | |
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ | ||
15Х2НМФ | Закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск | |
15Х2ГМФ | Закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск | |
14Х3ГМЮ | То же | |
Примечание - Для штанг, упрочненных нагревом ТВЧ, класс по стандарту API Spec 11В указан в скобках для отражения условного отнесения к этому классу при соответствии ему прочностных (5.1.5) и эксплуатационных (приложение Ж) характеристик штанг. |
(справочное)
Наименование химического элемента |
||
Углерод | ||
Кремний | ||
Фосфор | ||
Сера | ||
Хром | ||
Бор | ||
Железо | ||
Кобальт | ||
Титан | ||
Алюминий | ||
Цирконий | ||
Никель |
(обязательное)
Контролируемые размер и форма поверхности |
Средство измерения |
Нормативный документ (НД) |
Пояснение к операции контроля |
1 Штанги | |||
1.1 Внутренний диаметр резьбы d 1 * | Непроходной резьбовой калибр-кольцо | Резьбовой калибр-кольцо не должен навинчиваться на резьбу штанги после третьего поворота | |
1.2 Наружный диаметр резьбы d * | Резьбовой калибр-кольцо должен навинчиваться на резьбу штанги до упора в торец упорного бурта | ||
1.3 Отклонение от перпендикулярности торца упорного бурта к оси резьбы штанги | Проходной резьбовой калибр-кольцо | Плоский щуп не должен проходить между торцами упорного бурта и навинченного на штангу резьбового калибра-кольца | |
Плоский щуп размером 0,05 мм | ТУ 2-034-22/197-011 | ||
1.4 Максимальный и минимальный диаметр зарезьбовой канавки D 1 | Микрометры МР25; МР50 | ГОСТ 4381 | Средства измерения установить поочередно на наибольший и наименьший размеры диаметра D 1 в пределах допуска. При этом калибр-скоба не должен проходить над контролируемой поверхностью при измерении наименьшего диаметра D 1 |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
1.5 Максимальный и минимальный диаметры упорного D и подэлеваторного D 2 буртов | Микрометры МР25; МР50; МР100 | ГОСТ 4381 | Средства измерения установить поочередно на наибольший и наименьший размеры диаметров в пределах допуска. При этом калибр-скоба не должен проходить над контролируемой поверхностью при измерении наименьшего диаметра |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
1.6 Максимальная и минимальная длина зарезьбовой канавки l 2 | Регулируемый калибр-скоба | Измерительные поверхности калибра устанавливаются поочередно на наибольший и наименьший измеряемый размер или его номинальное значение. Измеряемая длина должна находиться в пределах допуска | |
1.7 Максимальный и минимальный диаметры тела штанги d 0 | Микрометры МР25; МР50 | ГОСТ 4381 | |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
1.8 Ширина квадратной шейки S | Регулируемый калибр-скоба | ||
1.9 Максимальная и минимальная длина насосной штанги L | Рулетка | ГОСТ 7502 | |
2 Муфты | |||
2.1 Наружный диаметр резьбы D * | Непроходной резьбовой калибр-пробка | НД на калибр или стандарт API Spec 11В | Резьбовой калибр-пробка не должен ввинчиваться в резьбу муфты после третьего поворота |
2.2 Внутренний диаметр резьбы D 1 * | Резьбовой калибр-пробка должен ввинчиваться в резьбу муфты до упора | ||
2.3 Отклонение от перпендикулярности торца муфты к оси резьбы муфты | Проходной резьбовой калибр-пробка | НД на калибр или стандарт API Spec 11 B | Плоский щуп не должен проходить между торцами муфты и ввинченного в нее резьбового калибра-пробки |
Плоский щуп размером 0,05 | ТУ 2-034-22/197-011 | ||
2.4 Максимальный и минимальный диаметры расточек муфты D 1 и D 2 (наименьший диаметр торцевой контактной поверхности) | Штангенциркуль | ГОСТ 166 | |
Калибр-пробка | ГОСТ 14810 | ||
2.5 Длина муфты L | Микрометры МК100; МК150 | ГОСТ 4381 | |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
2.6 Максимальное и минимальное расстояние между срезами под ключ S | Микрометры МК50; МК100 | ГОСТ 4381 | Калибр-скоба не должен проходить над поверхностью срезов под ключ при установке измерительных поверхностей на минимальное значение расстояния S |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
2.7 Максимальная и минимальная длина среза под ключ S 1 | Регулируемый калибр-скоба | ||
* Одновременно контролируют профиль резьбы. |
Условный номер скважины |
Количество штанг из партии в данной скважине |
Частота двойных ходов в минуту п |
Время наработки T (5 ´ 10 6), сутки* |
Количество обрывов штанг за время T (5 ´ 10 6) |
* Время наработки штанг в данной скважине (без учета простоев) за 5 ´ 10 6 циклов, сутки, - определяется по формуле |
Вывод: требования стандарта в части безотказной работы штанг (5.1.28.1) соблюдены.
(обязательное)
Показатели штанг |
Условия эксплуатации штанг |
|||
Марка стали |
Вид термической обработки |
Группа коррозионности продукции нефтяных скважин |
Диапазон условных размеров штанговых насосов, мм |
Допускаемое приведенное напряжение в штангах, Н/мм 2 , не более |
Нормализация |
Некоррозионная |
|||
Нормализация |
Некоррозионная |
|||
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ |
Некоррозионная |
|||
Нормализация и высокий отпуск с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная |
||||
Нормализация |
Высококоррозионная (с присутствием H 2 S до 6 %) |
|||
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная (с присутствием H 2 S) |
||||
Некоррозионная |
||||
Среднекоррозионная (при отсутствии H 2 S) |
||||
Закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная (при отсутствии H 2 S) |
||||
То же |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная (с присутствием H 2 S) |
||||
Примечание - Характеристика групп коррозионности продукции скважин приведена в приложении И. |
(справочное)
(обязательное)
Условный размер штанг |
Наружный диаметр муфт полноразмерных (уменьшенного диаметра) |
Минимальный условный (наружный) диаметр насосно-компрессорных труб, внутри которых применяются муфты |
|